Desenvolvimento e Avaliação de Fantasmas Cardiovasculares Impressos em 3D para Planejamento e Treinamento Intervencionista

O método apresentado permite a criação de modelos cardiovasculares anatômicos específicos do paciente para testes in vitro, ensino e planejamento de procedimentos. Este método oferece uma abordagem padronizada para criar modelos anatômicos individualizados 3D com base em conjuntos de dados radiológicos que podem ser facilmente incluídos em loops de fluxo ou configurações de treinamento. Embora essa abordagem de modelagem esteja focada no sistema cardiovascular, ela pode ser transferida para outras estruturas anatômicas.

A qualidade do conjunto de dados radiológicos tem grande influência nas dificuldades encontradas durante a modelagem. Para os primeiros modelos, use um conjunto de dados com artefatos de movimento mínimo e uma alta resolução espacial. Para começar, defina uma gama de valores unitários hounsfield abrindo a ferramenta de limiar, resultando em uma máscara combinada do contraste aumentado volume sanguíneo e estruturas ósseas.

Remova todas as partes ósseas que são indesejáveis no modelo 3D final usando a ferramenta Split Mask, que permite a marcação e separação de várias áreas em fatias gerais com base nos valores e localização de Hounsfield. Após esta separação, certifique-se de que uma máscara contendo o contraste aumenta o volume sanguíneo permanece. Isso pode ser feito percorrendo os planos coronal e axial e combinando a máscara criada com o conjunto de dados subjacente.

A partir desta máscara, calcule um modelo de superfície de polígono 3D renderizado. Clique na ferramenta Desválida Local para ajustar a superfície do modelo segmentado manualmente e localmente. Concentre-se na remoção de formas de polígonos ásperos, picos únicos e bordas ásperas criadas por operações de corte anteriores.

Para permitir a conexão posterior do modelo a um laço de fluxo, inclua peças tubulares com diâmetros definidos ajustados aos conectores de mangueira disponíveis e diâmetros do tubo. Para colocar um plano datum paralelo à seção transversal de abertura das embarcações, selecione a ferramenta, Crie o Plano Datum e use o plano de 3 pontos pré-definido. Em seguida, clique em três pontos igualmente espaçados na seção transversal da nave para criar o plano.

Insira um deslocamento de 10 milímetros na janela de comando e confirme a operação. Selecione a ferramenta de desenho do menu e escolha o plano datum criado anteriormente como a localização do esboço. No esboço, coloque um círculo aproximadamente na linha central do vaso e defina a restrição do raio para combinar com o diâmetro externo do conector da mangueira.

A partir do esboço criado, use a ferramenta Extrude para criar um cilindro com um comprimento de 10 milímetros. Oriente a extrusão para se afastar da abertura do vaso para criar uma distância entre o cilindro e a seção transversal do vaso de 10 milímetros. Em seguida, use a ferramenta Loft para criar uma conexão entre o final do vaso e o cilindro geométrico definido.

Garanta uma transição suave entre as duas seções transversais, evitando assim turbulência e áreas de baixo fluxo no modelo final de fluxo 3D. Finalmente, use a ferramenta Hollow para fazer um espaço de sangue oco na janela de comando, e coloque a espessura necessária da parede e coloque a direção do processo de oco para se mover para fora. Confirme a seleção para executar o processo de oco.

Depois de carregar o arquivo de impressão do software de corte para a impressora 3D, certifique-se de que a quantidade de material de impressão e material de suporte nos cartuchos da impressora seja suficiente para o modelo 3D e inicie a impressão. Após o processo de impressão, remova o material de suporte do modelo acabado. Primeiro, remova o material de suporte manualmente apertando suavemente o modelo.

Coloque o modelo na pia e, em seguida, mergulhe-o em água ou um respectivo solvente após a remoção da tampa. Seque o modelo em uma incubadora a 40 graus Celsius durante a noite. No dia seguinte, incorpore o modelo em 1%de ágar.

Use uma caixa de plástico com margens laterais de pelo menos dois centímetros ao redor do modelo e faça furos nas paredes para permitir que os tubos sejam conectados dos vasos à bomba e ao reservatório. Adicione o ágar à água e deixe ferver. Depois de mexer a mistura, deixe esfriar por cinco minutos e despeje-a na caixa para criar uma cama de pelo menos dois centímetros de altura.

Enquanto a cama de ágar se instala, conecte o modelo a um tubo de PVC não compatível usando conectores comerciais de mangueira em cada abertura. Use laços zip para corrigir a conexão entre os conectores da mangueira e o modelo 3D e garantir que não haja vazamento de fluido. Guie os tubos de PVC através dos furos perfurados na caixa e coloque o modelo em cima da cama de ágar.

Para evitar que o ágar vaze desses orifícios, use argila de modelagem à prova de calor para selá-la. Em seguida, encha a caixa com ágar e cubra o modelo adicionando uma camada de dois centímetros em cima. Deixe o ágar esfriar totalmente e definir para uma hora em temperatura ambiente.

Agitar o ventrículo usando uma bomba de pistão com um volume de traçado de 120 a 150 mililitros. Para a imagem da tomografia computadorizada, coloque toda a alça de fluxo dentro do scanner de tomografia com a unidade de acionamento de prontidão. Conecte a bomba do agente de contraste diretamente ao reservatório da alça de fluxo para que a inundação do modelo com o agente de contraste possa ser simulada durante a varredura.

Isso é especialmente útil para visualizar patologias vasculares. Realize a tomografia computadorizada como uma varredura dinâmica sobre todo o modelo para visualizar o fluxo do agente de contraste. Injete 100 mililitros de um a 10 agentes de contraste diluídos no reservatório do modelo a uma velocidade de quatro mililitros por segundo.

Inicie a varredura usando bolus que aciona no tubo líder com um limiar de unidade Hounsfield de 100 em um atraso de quatro segundos. Para realizar a sonografia, coloque uma pequena quantidade de gel ultrassônico em cima do bloco de ágar para reduzir artefatos. Inicie a bomba e use a cabeça ultrassônica para localizar a estrutura anatômica de interesse.

Use o modo eco 2D para avaliar o movimento do folheto, bem como o comportamento de abertura e fechamento da válvula. Use doppler colorido para avaliar o fluxo sanguíneo através da válvula e doppler espectral para quantificar a velocidade de fluxo seguindo a válvula cardíaca. Insira uma porta de acesso no tubo de PVC diretamente abaixo do modelo 3D para permitir um acesso mais fácil da anatomia com um cateter cardíaco ou fio-guia.

Depois de iniciar o loop de fluxo, verifique se há vazamento no ponto de entrada do porto. Se necessário, use um adesivo de dois componentes para selar a abertura. Coloque o modelo 3D na mesa do paciente sob os braços C da máquina de raio-x.

Use imagens de raio-x para guiar o cateter e guiar os fios através da estrutura anatômica. Para ressonância magnética 4D, use um scanner 1.5 Tesla e certifique-se de que o protocolo de aquisição consiste em uma MRA aprimorada sem contraste na sequência de fluxo 4D. Adquira um conjunto de dados isotrópico com 25 fases em uma espessura de fatia de 1,2 milímetros.

Defina a codificação de velocidade a 100 centímetros por segundo. Realize a análise de imagem de fluxo 4D com um software comercialmente disponível. Primeiro, importe o conjunto de dados de ressonância magnética 4D selecionando-o na unidade flash e, em seguida, execute correção de deslocamento semi-automatizada e correção de aliasing para melhorar a qualidade da imagem.

A linha central da nave será rastreada automaticamente, e o software extrai o volume 3D. Por fim, realize a análise quantitativa dos parâmetros de fluxo clicando nas guias individuais na janela de análise. Visualização de fluxo, visualização da linha de caminhos e vetor de fluxo podem ser visualizados sem maiores entradas.

Para quantificação da pressão e do estresse da tesoura da parede na guia representativa, coloque dois planos clicando no botão Adicionar plano. Mova os aviões para o ROI arrastando-os ao longo da linha central para que um avião seja colocado no início do ROI e outro no final. A queda de pressão através do ROI e do estresse da tesoura da parede será visualizada e quantificada no diagrama ao lado do modelo 3D.

Os modelos impressos 3D apresentados oferecem uma ampla gama de possibilidades em imagens de tomografia computadorizada. O material impresso pode ser facilmente distinguido do ágar circundante e possíveis implantes metálicos. Portanto, o uso de um agente de contraste normalmente não é necessário, exceto para gerar sequências dinâmicas de imagem.

Ao usar imagens ultrassônicas, é possível distinguir entre a parede do modelo, o ágar circundante e objetos dinâmicos finos como folhetos de válvulas cardíacas. A camada de ágar em cima do modelo fornece feedback háptico realista durante o processo de digitalização. A análise de fluxo dentro do loop de fluxo oferece uma ampla gama de possíveis aplicações e imagens pré-intervencionais.

A sequência de ressonância magnética 4D permite a visualização do fluxo de fluidos, turbulências e estresse da cisalhamento da parede dentro do modelo impresso em 3D, possibilitando a análise dos padrões de fluxo seguindo válvulas cardíacas artificiais. Este fluxo de trabalho pode ser transferido para diferentes procedimentos médicos intervencionais para fins de treinamento ou planejamento. A técnica permite um exame in vitro mais aprofundado do comportamento de fluxo em grandes vasos cardiovasculares e oferece grande potencial para o planejamento da terapia individualizada.